[发明专利]耐热的红外线测量用探针

说明书

说明

本发明涉及一种利用衰减全反射(ATR)原理光导管耦合的测量用探 针和一种具有光导管耦合的ATR测量用探针的借助红外线光谱测量法作 为过程监控的测量系统。

近红外线和可见光谱范围内的光谱测量法多年来依据惯例在分析实 验室，特别是在化学工业中，用于反应跟踪，它是利用目前的现有技术在 中红外线光谱范围内只能在实验室范围内的过程监测。

目前在该领域使用不同的测量技术。特别是金刚石ART测量技术进一 步发展成一种化学和机械上极其耐用的测量方法。近几年来，商业上还有 浸入式探针可供在线过程控制使用，该浸入式探针由坚固的金刚石ATR测 量头和波导辐射转换镜组或者光导管镜组组成。利用这种探针可以在反应 期间比通过近红外线探针技术更加择优和探测更加灵敏地跟踪进程。

然而波导管基础上的MIR浸入式探针的最大缺点是其容积庞大的刚 性结构和其极强的不易调整性。另一面可以使用光导管耦合的ATR浸入式 探针，其虽然非常灵活和易于调整，但同时由于所使用的光导管对温度非 常敏感。

US5923808介绍了一种光导管耦合的耐热ATR浸入式探针，其通过主 动冷却保持在恒定的温度水平上。冷却通过吹氮实现。此外，探针元件与 光导管之间的隔温通过一个红外线透射并在相应温度范围内稳定的光学 元件实现。所使用的光导管以硫属元素化物(chalkogenid)为基础。

DE10123254介绍了一种由一个ATR金刚石件和一个卤化银光导管镜 组组成的红外线测量用探针。由光导管发出的红外线辐射通过微型镜组输 入探针元件内。

US 5.185.834公开了一种具有一个用于两次内反射的探针体用于红外 线光谱测量法的ATR测量用探针。探针体最好由ZnSe组成并在其中一侧 成形一个透镜。输送射线和探测射线的光导管在与探针体固定的距离上固 定在可调支架内。

US 5.585.634公开了一种具有一个光导管段的光导纤维红外线测量用 探针作为ATR探针元件。光导管段嵌入环氧树脂内和光导管段的一个平面 成形部分起到灵敏传感器面的作用。

此外，现有技术介绍了波导基础上的浸入式探针(例如Axion和 Mettler-Toledo公司)，其可以在-100℃至300℃的温度范围内使用。在这 种探针上，红外线辐射通过反射镜组导入探针元件并从那里导向探测器。 在探针头的范围内，仅使用在所要求的温度范围内具有几乎相同膨胀系数 的材料。作为选择，可连接的部件通过密封圈系统连接。

现有技术介绍的所有光导管连接的红外线测量用探针均存在某些缺 点。

由刚性反射镜臂系统组成的红外线测量用探针虽然温度稳定，但不灵 活、不易调整和有效距离非常短。

而光导管基础上的红外线测量用探针灵活、紧凑并具有明显更大的有 效距离。但现有技术介绍的红外线测量用探针在没有主动冷却的情况下只 能在非常小的温度范围内使用。

这些测量用探针一般情况下由一个探针元件、一个照明光导管和一个 探测光导管组成，这两个光导管或者与探针元件固定连接，或者在探针元 件的前面固定在探针头外壳上。由于探针元件、其周围探针头外壳与光导 管之间极其不同的膨胀系数，光导管在探针头外壳上或者在探针元件上的 固定以及上述发明中介绍的对不在小温度范围内进行的应用来说，只有在 探针头得到主动冷却的情况下才适用。探针头范围内确定温度的调整通过 主动冷却非常昂贵并还会使测量结果失真。

多晶卤化银化合物例如像AgCl-AgBr，例如具有典型的35*10^-6的膨 胀系数，而在近红外线光谱范围内使用的例如SiO2基的玻璃光导管则具 有约小2个数量级的膨胀系数。玻璃光导管基础上的测量用探针因此与多 晶卤化银材料的光导管相比，需要完全不同的成形技术。在最高180℃的 温度范围内商业上可供使用的玻璃光导管探针，例如可以利用高温粘结剂 在环氧树脂基上持久稳定地固定在探针元件的前面。

卤化银与作为光导管材料使用的例如硫属元素化物-玻璃光导管等其 他红外线透射的材料相反，持续-150℃至250℃仍温度稳定并因此在适当 成形的情况下适合在该温度范围内使用。

本发明的目的在于，提供一种红外线测量用探针以及一种具有红外线 测量用探针的测量系统，该测量用探针可以在大温度范围内使用和尽管如 此仍具有光导管镜组的优点，例如灵活性、紧凑性、操作简单和可多路复 用能力。